CN114799611A - 一种屈服强度1300MPa级高强焊丝及盘条 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种屈服强度1300MPa级高强焊丝及盘条，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07~0.14%，Si：0.70~0.90%，Mn：1.80~2.10%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr：0.40~0.70%，Ni：6.00~8.00%，Cu：≤0.15%，Mo:0.90‑1.20%，Ti：0.05~0.10%，V：0.20‑0.40%，Nb：≤0.02%，Zr：≤0.10%，Ce：≤0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明所述的焊丝适用于屈服强度1300MPa级超高强钢板焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊丝及盘条，尤其涉及一种屈服强度1300MPa级高强焊丝及盘条。
背景技术
随着国内外工程机械、煤矿机械、海工装备、水电装备等向着优质、高强度、高韧性、大型化、轻型化的方向发展，焊接金属材料由传统的碳素钢、低合金钢向高强度细晶粒调质钢等领域扩展。高强度细晶粒调质钢由于具备降低自重、提高承载能力、方便运输安装及降低制造成本等特性，在大型工程机械制造领域得到广泛应用，同时也促进了与之配套的高强钢实心焊丝行业的快速发展，目前与Q960钢板配套的高强焊丝已成功实现国产化，打破国外垄断。现阶段，国内超高强钢板已发展到屈服强度1300MPa等级，但目前全世界尚无成熟的焊接材料与之配套。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种屈服强度1300MPa级高强盘条；本发明的另一目的在于提供一种熔敷金属韧性和-40℃低温冲击功高的所述盘条制得的屈服强度1300MPa级高强焊丝。
技术方案：本发明所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07～0.14％，Si：0.70～0.90％，Mn：1.80～2.10％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：0.40～0.70％，Ni：6.00～8.00％，Cu：≤0.15％，Mo:0.90-1.20％，Ti：0.05～0.10％，V：0.20-0.40％，Nb：≤0.02％，Zr：≤0.10％，Ce：≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述盘条的化学成分中Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo、Ti化学成分配比符合0.25≤B≤0.36，其中，B＝(0.75Si+0.85Mn+0.20Ti)/(1.1Cu+0.9Cr+0.95Ni+0.95Mo)。
进一步地，所述盘条的化学成分中所述盘条的化学成分中Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Ti及V化学成分配比符合480≤Z≤660，其中，Z＝813-387[C]-61.3[Mn]+19.3[Si]-54.9[Ni]-22.7[Cr]-39.9[Cu]-69.3[Mo]-20[Ti+V]。
进一步地，所述盘条的化学成分中含有Zr或Ce中的至少一种。
所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条的制备方法，包括采用电炉或转炉冶炼，并经过精炼连铸，加热轧制成5.5-6.5mm规格的盘条。
所述盘条制成的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝，所述气体保护焊丝表面具有镀铜层且其厚度为0.20～0.23微米。
进一步地，所述气体保护焊丝采用10～25KJ/cm热输入下焊接得到的熔敷金属屈服强度1250-1380MPa，-40℃KV2冲击功≥27J，断后延伸率≥12％，冷弯D＝8a。
所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝的制备方法，所述气体保护焊丝是将所述盘条经酸洗工序去氧化皮，最后经过粗拉精拉过程拉拔成焊丝，焊丝表面化学镀铜处理，后经层绕后制成的。
本发明中各组分的作用及机理：
C：C是强化作用最强的合金元素之一，随着C含量增加，可获得较高的拉伸强度和硬度，但塑性和韧性会明显降低，恶化焊接性。碳含量过高时，钢的耐大气腐蚀性能较差，因此C含量控制在0.07～0.14％。
Si：Si作为钢中主要合金元素和脱氧元素之一，一定范围内可明显改善钢的强韧性。但随着Si含量增加，钢的韧性呈先增加后降低趋势，同时气保护中Si会产生烧损，为保证焊缝冶金反应，因此Si含量控制在0.70～0.90％。
Mn：Mn是主要的脱氧剂，降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗开裂性，但随着Mn的升高，会因偏析引起组织中的硬相，Mn在气保护焊接中存在烧损，为保证熔敷金属强度强度，Mn元素的添加量控制在1.80～2.10％。
S和P：S与Fe会形成低熔点共晶，导致热脆，同时降低焊缝的塑性和冲击韧性，恶化耐大气腐蚀性能。P的偏析作用很强，P含量过高极易造成热裂，磷化物本身硬且脆，容易造成钢的冷脆，降低钢的塑性和韧性。因此要求焊丝中S≤0.015％，P≤0.015％。
Cr：Cr元素的加入可以提高焊缝强度，但当其含量较高时，会急剧降低焊缝的低温韧性和熔池流动性，不利于焊缝中气体和夹杂的排除，影响焊缝冶金质量，为提高Cr的有益效果，Cr加入量控制在0.40～0.70％。
Ni：Ni可以细化铁素体晶粒，提高钢的低温冲击韧性。同时Ni的添加还可以使锈层结晶变细，使γ-FeOOH更易转变成稳定的α-FeOOH，抑制Cl-、S的侵入，提高钢的耐大气腐蚀性能。因此Ni含量控制在6.00～8.00％。
Cu：Cu含量过高会增加焊缝热裂倾向，同时焊丝的表面镀铜会向焊缝中过渡Cu元素，所以要严格控制Cu含量，Cu含量控制在0.15％以下。
Mo：适当添加Mo元素可以扩大贝氏体区，细化焊缝组织，提高焊缝强韧性，因此Mo含量控制在0.90～1.20％。
Ti：Ti化学性能活泼，极易和碳氮元素反应形成第二相粒子，细化晶粒。但Ti元素含量过高会降低焊缝低温韧性，且在焊接过程中Ti的烧损较多，因此Ti含量控制在0.04～0.09％。
Nb和V：对于强度较高的焊丝来说，添加Nb、V元素具有改善焊缝组织韧性的作用，Nb、在奥氏体晶界析出，钉扎晶界，抑制奥氏体的长大，V在奥氏体区具有更高的固溶度，增加过冷奥氏体的稳定性，降低相变温度，促进AF的形成，同时在焊接中Nb、V元素还具有固氮的作用，起到焊缝强化的作用，但Nb、V含量过高会对焊缝韧性产生不利影响，所以焊丝中Nb加入量≤0.020％，V加入量0.20-0.30％。
Zr：Zr元素能够通过沉淀强化和固溶强化提高焊缝的强度，Zr能与熔池中高熔点夹杂物细化而弥散，具有改善熔池流动性作用，同时Zr还具有固氮的作用，本焊丝中控制Zr≤0.10％。
Ce：在焊缝中加入的轻稀土Ce可富集在硅酸盐夹杂物中使其球化，并弥散分布，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织。但过多会使冶金反应不良，焊接熔池钢水流动性降低，稀土元素铈(Ce)加入量≤0.02％。
本发明焊丝中加入Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo、Ti及微合金元素含量配比，控制0.25≤B≤0.36，其中，B是(0.75Si+0.85Mn+0.20Ti)与(1.1Cu+0.9Cr+0.95Ni+0.95Mo)比值，Si、Mn、Ti过渡到焊缝熔池反应，参与焊缝的脱氧出杂过程，减少Cr、Ni、Mo的烧损，生成密度小、易上浮的硅酸盐、钙酸盐夹杂物，同时Si可改善因合金元素加入造成的熔池粘度增加，改善流动性，使焊缝中夹杂上浮而减少，使焊缝冶金质量增加；同时控制480≤Z≤660，其中Z为公式M＝813-387[C]-61.3[Mn]+19.3[Si]-54.9[Ni]-22.7[Cr]-39.9[Cu]-69.3[Mo]-20[Ti+V]的范围值，焊缝中合金元素的加入对固态相变具有明显影响，本耐候焊丝中通过优化合金元素的加入量，控制相变温度接近在480～660℃之间，抑制先共析铁素体及侧板条铁素体的形成，促进针状铁素体在夹杂物上异质形核，改善焊缝组织类型，进而改善焊缝力学性能。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明的焊丝适用于屈服强度1300MPa级超高强钢板气体保护焊焊接，其中熔敷金属屈服强度1250-1380MPa，-40℃KV2冲击功≥27J，断后延伸率≥12％，冷弯D＝8a(180°合格)；(2)制备方法简易，本发明采用氩气与二氧化碳80：20比例的混合气体保护，是高强钢焊接最常用的气体，气体易取得；(3)本发明的焊丝成分配比合理，焊接过程中熔池流动性较好，焊缝夹杂物较少，焊接接头具有优异冶金质量；(4)本发明的焊丝合金体系控制合理，易于实现焊丝钢的冶炼、轧制盘条等工序，焊丝钢盘条及粗拉到2.8mm规格的半成品各进行一次退火处理、拉拔过程稳定无断丝、镀铜过程稳定，适合大规模推广应用；(5)制备成本低，并且合金成分体系简单，适用于制备超低温高锰钢手工电弧焊接用焊条的钢铁原料。该钢铁材料制备的焊条产品，所形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与超低温高锰钢相匹配，能满足对所焊接的适用于超低温高锰钢的强度和超低温韧性的技术要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
一种屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条，其化学成分按质量百分比计如表1所示。盘条的化学成分中C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo及Ti化学成分配比符合0.25≤B≤0.36，480≤Z≤660。其中，B＝(0.75Si+0.85Mn+0.20Ti)/(1.1Cu+0.9Cr+0.95Ni+0.95Mo)；Z＝813-387[C]-61.3[Mn]+19.3[Si]-54.9[Ni]-22.7[Cr]-39.9[Cu]-69.3[Mo]-20[Ti+V]。
基于上述的气体保护焊丝用盘条，本发明还提供了一种屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝，其通过拉拔上述盘条而制成。
在气体保护焊丝表面设有镀铜层且厚度为0.20～0.23微米。
气体保护焊丝采用Ar占80％、CO2占20％的混合气体施焊，采用10～25KJ/cm热输入下焊接得到的熔敷金属-40℃KV2冲击功≥27J。
采用100吨电炉冶炼焊丝用钢，并经过LF精炼、VD真空处理，连铸成150*150断面铸坯，铸坯经修磨后，加热轧制成Φ5.5mm盘条，经酸洗工序去氧化皮，最后经过粗拉精拉过程拉拔成Φ1.2mm的焊丝，焊丝表面化学镀铜处理，镀铜层厚度为0.20～0.23um，后经层绕后制成本发明的焊丝。本发明焊丝的具体7种实施例(其中焊丝中铜含量不包括镀铜层的铜含量)和3种对比例的主要化学成分(质量百分比)见表1。表1中，实例1-7为本发明焊丝的化学成分配比实例，对比例1-3为焊丝ER120S-G化学成分。
实施例2
所述盘条和焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。制备方法同实施例1。
实施例3
所述盘条和焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。制备方法同实施例1。
实施例4
所述盘条和焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。制备方法同实施例1。
实施例5
所述盘条和焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。制备方法同实施例1。
实施例6
所述盘条和焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。制备方法同实施例1。
实施例7
所述盘条和焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。制备方法同实施例1。
对比例1
焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。
对比例2
焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。
对比例3
焊丝的化学成分按质量百分比计如表1所示。
将上述成分焊丝进行焊接实验，焊接试板选用Q1300E高性能超高强钢，钢板的主要化学成分为：C:0.12％，Si:0.25％，Mn:1.35％，P:0.006％，S:0.001％，Cr:0.42％，Ni:1.37％，Cu:0.04％，Mo:0.73％，B:0.0022％，Nb+V+Ti:0.072％规格为600×300×24mm，采用表2所述焊接参数进行焊接。该钢屈服强度Rp0.2为1332MPa，抗拉强度Rm为1455MPa，延伸率为16％，-40℃冲击功KV2平均值为91J。
试件焊接后进行外观检查，超声波探伤检验合格后，从熔敷金属取样，对熔敷金属化学成分进行测定，结果如下表3；从焊接试件的熔敷金属取样，进行拉伸性能和-40℃低温冲击性能试验，试验结果如下表4。
表1焊丝化学成分配比(wt％，余量为Fe)
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Mo | Ti | V | Zr | Nb | Ce |
| 实施例1 | 0.09 | 0.82 | 1.89 | 0.007 | 0.002 | 0.51 | 7.15 | 0.02 | 1.06 | 0.07 | 0.27 | 0.03 | / | / |
| 实施例2 | 0.12 | 0.77 | 2.01 | 0.008 | 0.001 | 0.64 | 7.59 | 0.01 | 0.99 | 0.07 | 0.34 | / | / | 0.016 |
| 实施例3 | 0.08 | 0.83 | 1.97 | 0.007 | 0.001 | 0.56 | 7.33 | 0.01 | 1.10 | 0.08 | 0.32 | / | 0.02 | / |
| 实施例4 | 0.12 | 0.80 | 1.96 | 0.006 | 0.001 | 0.62 | 7.60 | 0.01 | 1.09 | 0.09 | 0.36 | 0.02 | / | 0.012 |
| 实施例5 | 0.13 | 0.83 | 1.90 | 0.008 | 0.002 | 0.55 | 7.47 | 0.02 | 1.13 | 0.07 | 0.32 | 0.03 | 0.015 | 0.015 |
| 实施例6 | 0.11 | 0.82 | 1.92 | 0.008 | 0.001 | 0.61 | 7.52 | 0.01 | 1.04 | 0.08 | 0.35 | / | 0.01 | 0.010 |
| 实施例7 | 0.12 | 0.79 | 1.95 | 0.006 | 0.001 | 0.59 | 7.38 | 0.01 | 1.07 | 0.08 | 0.31 | 0.02 | 0.015 | 0.015 |
| 对比例1 | 0.08 | 0.76 | 1.76 | 0.008 | 0.008 | 0.34 | 2.46 | 0.04 | 0.61 | 0.05 | / | / | / | / |
| 对比例2 | 0.09 | 0.81 | 1.75 | 0.007 | 0.006 | 0.37 | 2.41 | 0.06 | 0.59 | 0.06 | / | / | / | / |
| 对比例3 | 0.08 | 0.77 | 1.82 | 0.007 | 0.007 | 0.35 | 2.42 | 0.05 | 0.62 | 0.06 | / | / | / | / |
表2富氩气保护焊接工艺参数
表3焊接熔敷金属化学成分(wt％，余量为Fe)
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Mo | Ti | V | Zr | Nb | Ce |
| 实施例1 | 0.08 | 0.65 | 1.63 | 0.008 | 0.001 | 0.46 | 7.01 | 0.08 | 1.01 | 0.04 | 0.24 | 0.012 | / | / |
| 实施例2 | 0.10 | 0.59 | 1.70 | 0.008 | 0.001 | 0.57 | 7.43 | 0.07 | 0.97 | 0.03 | 0.29 | / | / | 0.008 |
| 实施例3 | 0.08 | 0.66 | 1.74 | 0.007 | 0.001 | 0.50 | 7.26 | 0.08 | 1.04 | 0.04 | 0.28 | / | 0.012 | / |
| 实施例4 | 0.11 | 0.62 | 1.71 | 0.007 | 0.001 | 0.57 | 7.46 | 0.08 | 1.04 | 0.05 | 0.31 | 0.007 | / | 0.005 |
| 实施例5 | 0.11 | 0.65 | 1.66 | 0.008 | 0.001 | 0.49 | 7.33 | 0.09 | 1.07 | 0.04 | 0.29 | 0.014 | 0.007 | 0.007 |
| 实施例6 | 0.10 | 0.63 | 1.67 | 0.009 | 0.002 | 0.56 | 7.39 | 0.09 | 0.98 | 0.05 | 0.31 | / | 0.005 | 0.006 |
| 实施例7 | 0.11 | 0.61 | 1.67 | 0.007 | 0.001 | 0.53 | 7.27 | 0.08 | 1.02 | 0.04 | 0.27 | 0.009 | 0.008 | 0.008 |
| 对比例1 | 0.07 | 0.60 | 1.48 | 0.008 | 0.007 | 0.30 | 2.40 | 0.12 | 0.58 | 0.02 | / | / | / | / |
| 对比例2 | 0.08 | 0.64 | 1.43 | 0.008 | 0.007 | 0.33 | 2.35 | 0.13 | 0.57 | 0.03 | / | / | / | / |
| 对比例3 | 0.07 | 0.59 | 1.51 | 0.007 | 0.008 | 0.32 | 2.37 | 0.13 | 0.58 | 0.03 | / | / | / | / |
表4焊缝熔敷金属力学性能检测结果
由上表3-4可以看出，本发明焊丝的熔敷金属中存在Ti、Ca、Nb、V、Zr、Ce微合金元素中的三种或三种以上，有效的保证了焊接过程中焊缝的脱氧、脱氮能力，同时微合金元素的加入明显改善了焊接熔池的流动性，使夹杂物数量减少；同时该焊缝熔敷金属屈服强度在1277～1365MPa范围内，延伸率在12～13.5％范围内，-40℃冲击功在51～73J范围内，焊丝焊接过程中熔滴过渡稳定，合金元素烧损较少，符合相关技术要求而且富余量较大。所选对比焊丝的熔敷金属屈服强度在886～943MPa范围内，延伸率在13～14.5％范围内，-40℃冲击功在57～86J范围内。对比焊丝的熔敷金属性能虽然延伸和低温冲击略高，但其屈服强度比本发明低400MPa，差距较大，其熔敷金属延伸和低温冲击略好也是因为其强度低的原因。
Claims (8)
1.一种屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条，其特征在于，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07~0.14%，Si：0.70~0.90%，Mn：1.80~2.10%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr：0.40~0.70%，Ni：6.00~8.00%，Cu：≤0.15%，Mo：0.90-1.20%，Ti：0.05~0.10%，V：0.20-0.40%，Nb：≤0.02%，Zr：≤0.10%，Ce：≤0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条，其特征在于，所述盘条的化学成分中Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo、Ti化学成分配比符合0.25≤B≤0.36，其中，B=（0.75Si+0.85Mn+0.20Ti）/（1.1Cu+0.9Cr+0.95Ni+0.95Mo）。
3.根据权利要求1所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条，其特征在于，所述盘条的化学成分中所述盘条的化学成分中Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Ti及V化学成分配比符合480≤Z≤660，其中，Z=813-387[C]-61.3[Mn]+19.3[Si]-54.9[Ni]-22.7[Cr]-39.9[Cu]-69.3[Mo]-20[Ti+V]。
4.根据权利要求1-3任一项所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条，其特征在于，所述盘条的化学成分中含有Zr或Ce中的至少一种。
5.一种权利要求1-4任一项所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝用盘条的制备方法，其特征在于，采用电炉或转炉冶炼，并经过精炼连铸，加热轧制成5.5-6.5mm规格的盘条。
6.一种权利要求1-4任一项所述的盘条制成的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝，其特征在于，所述气体保护焊丝表面具有镀铜层且其厚度为0.20～0.23微米。
7.根据权利要求6所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝，其特征在于，所述气体保护焊丝采用10~25KJ/cm热输入下焊接得到的熔敷金属屈服强度1250-1380MPa，-40℃KV2冲击功≥27J，断后延伸率≥12%，冷弯D=8a。
8.一种权利要求6所述的屈服强度1300MPa级超高强气体保护焊丝的制备方法，其特征在于，所述气体保护焊丝是将所述盘条经酸洗工序去氧化皮，最后经过粗拉精拉过程拉拔成焊丝，焊丝表面化学镀铜处理，后经层绕后制成的。
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